基于增量信息技术的地图数据快速更新
第４１卷第１１期２０１８年１１月
测绘与空间地理信息
ＧＥＯＭＡＴＩＣＳ＆ＳＰＡＴＩＡＬＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏｌ.４１ꎬＮｏ.１１Ｎｏｖ.ꎬ２０１８
收稿日期:２０１７－０８－０１
作者简介：金鑫一(１９９５－)ꎬ男ꎬ山东青岛人ꎬ测绘工程专业在读本科生ꎮ
基于增量信息技术的地图数据快速更新
金鑫一ꎬ赵孟影ꎬ徐则双
(吉林大学地球探测科学与技术学院ꎬ吉林长春１３００２６)
摘要：地理信息在国民生活中的作用越来越重要ꎬ而现实中对地理信息使用需求则提出了更高的要求ꎬ满足地
理信息的现势性及实现地图实时动态更新的操作也变得越来越必要ꎮ本文以ＡｒｃＥｎｇｉｎｅ工具㊁数据库等为载体ꎬ以增量信息㊁地图动态更新相关技术为依据进行设计开发能够实现相关功能的系统工具ꎮ然后我们将对实体地图进行信息提取ꎬ与经过系统增量更新后的成果比对ꎬ作为所开发的新系统测试检验的评定指标之一ꎮ根据开发进程逐步实现基于Ｃ＃的地理信息增量更新系统的搭建ꎮ关键词：地图数据库ꎻ矢量更新ꎻ增量信息ꎻ动态更新
中图分类号:Ｐ２８３.５㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１６７２－５８６７(２０１８)１１－０１８５－０３
ＭａｐＤａｔａＢａｓｅｄｏｎＩｎｃｒｅｍｅｎｔａｌＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ
ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＵｐｄａｔｅｓＱｕｉｃｋｌｙ
ＪＩＮＸｉｎｙｉꎬＺＨＡＯＭｅｎｇｙｉｎｇꎬＸＵＺｅｓｈｕａｎｇ
(ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＧｅｏ－ｅｘｐｌｏｒｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＪｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＣｈａｎｇｃｈｕｎ１３００２６ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｓｐｌａｙｉｎｇａｎｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｔｈｅｎａｔｉｏｎａｌｌｉｆｅꎬｗｈｉｌｅ
ｔｈｅｕｓｅｏｆｒｅａｌｄｅｍａｎｄｐｕｔｆｏｒ￣ｗａｒｄｈｉｇｈｅｒｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓꎬｓａｔｉｓｆｉｅｓｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｇｅｏｇｒａｐｈｙｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｒｅａｌｉｚｅｍａｐｒｅａｌ－ｔｉｍｅｄｙｎａｍｉｃｒｅｎｅｗａｌｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌｓｏｂｅｃｏｍｅｓｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｅｓｓｅｎｔｉａｌ.ＴｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｔａｋｅｔｈｅＡｒｃ－Ｅｎｇｉｎｅｔｏｏｌꎬｔｈｅｄａｔａｂａｓｅａｎｄｓｏｏｎａｓａｃａｒｒｉｅｒꎬｂａｓｅｄｏｎｉｎｃｒｅｍｅｎ￣ｔａｌｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｄｙｎａｍｉｃｕｐｄａｔｉｎｇｏｆｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅꎬａｓｙｓｔｅｍｔｏｏｌｔｈａｔｃａｎｒｅａｌｉｚｅｒｅｌａｔｅｄｆｕｎｃｔｉｏｎｓｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｄｅｖｅｌ￣ｏｐｅｄ.Ｔｈｅｎｗｅｗｉｌｌｅｘｔｒａｃｔｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｒｏｍｔｈｅｐｒｉｎｔｅｄｍａｐａｎｄｃｏｍｐａｒｅｉｔｗｉｔｈｔｈｅｒｅｓｕｌｔｉｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｆｔｅｒｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌｕｐｄａｔｅａｓｏｎｅ
ｃｒｉｔｅｒｉｏｎｆｏｒｔｈｅｔｅｓｔｏｆｔｈｅｎｅｗｌｙ－ｄｅｖｅｌｏｐｅｄｓｙｓｔｅｍ.Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓꎬｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌｕｐｄａｔｉｎｇｇｅｏｇｒａｐｈｉｃｉｎｆｏｒｍａ￣ｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＣ＃ｉｓｒｅａｌｉｚｅｄｇｒａｄｕａｌｌｙ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｍａｐｄａｔａｂａｓｅꎻｖｅｃｔｏｒｕｐｄａｔｉｎｇꎻｉｎｃｒｅｍｅｎｔａ
ｌｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎꎻｄｙｎａｍｉｃｕｐｄａｔｉｎｇ
０㊀引㊀言
针对地理信息数据现势性的特点以及满足地图数据快速更新的现实需求ꎬ目前普遍接受的方式有３种ꎬ分别是定期更新㊁固定变化程度更新和增量式更新ꎮ区别于前两种方式的按期更新(等待变化量达到一定的程度再进行地图数据更新)ꎬ增量式更新采取 发现即更新 的模式ꎬ即更新不由时间决定ꎬ这就极有效地体现了地理信息数据的现势性ꎮ同时ꎬ利用增量信息剖析地理空间的新旧变化ꎬ再引入相关算法构建矢量更新模型来实现地图数据的更新和融合也是近年来的一个研究热点ꎮ而利用增量数据进行缩编来更新地图数据这个概念是由Ｋｉｌｐｅｌäｉｎｅｎ和ＳａｒｊａＫｏｓｋｉ在１９９５年提出的ꎬ他们通过对
大比例尺数据中的变化信息缩编来更新小比例尺数据ꎬ
而不用对整个大比例数据进行缩编更新[１]ꎮＨａｍｐｅ㊁Ａｎｄｅｒｓ等在欧洲ＧＩＭＯＤＩＧ这个项目中对多尺度数据库实时综合缩编进行了相关研究ꎬ不过他们研究的主要是针对移动手持设备所使用的网络电子地图数据的实时缩编综合[２]ꎮ
国内对于缩编更新的研究还处在初级阶段ꎬ艾廷华
等人直接通过对大比例尺数据缩编对小比例尺数据进行
更新[３]ꎮ胡云岗㊁陈军等对地图数据缩编更新的模式进行了总结ꎬ分为直接缩编替代更新㊁直接缩编叠加更新㊁
增量缩编更新㊁新旧数据叠加缩编更新４种模式ꎬ并运用新旧数据叠加缩编模型对道路网数据进行了相关的更新研究[４]ꎮ赵仁亮㊁陈军等对缩编更新的一些关键技术进行了总结[５]ꎮ兰秋萍对地图数据级联更新进行了相关研究ꎬ在其研究中ꎬ对Ｋｉｌｐｅｌäｉｎｅｎ提出的增量缩编更新模
式以及胡云岗等所用的新旧数据叠加缩编更新模式进行了数据实验ꎬ并对更新结果的自动综合方面进行了进一步探讨[６]ꎮ万远等对地理信息的变化监测ꎬ特别是土地的变化监测和更新做了详细的探讨[７]ꎮ
关于差分增量更新的理论及方法国外学者给出了不同的思路和研究方向ꎮ英国军械测量局的差分增量更新主要是对原有地图数据实施改造工程ꎬ以生产一个能够满足多种需要的框架性空间数据为目的ꎬ它为空间要素分配了三个必备的属性字段：唯一要素标识码㊁要素的版本号和要素发生变化的日期来记录其所经历的变化情况ꎮ澳大利亚和新西兰联合成立的政府间测绘委员会(ＩＣＳＭ)支持澳大利亚空间数据基础设施(ＡＳＤＩ)给出了差分增量更新的定义ꎬ并用永久标识符㊁创建日期和注销日期作为表示地物变化的３个最基本属性ꎮ日本研究了新一代的导航信息服务系统ｉ－ｆｏｒｍａｔꎬ其中地图数据
增量更新是其基石ꎬ但到目前为止仍未见其研究成果的相关报道ꎮ随着我国城镇化的快速推进以及数据更新的重大需求ꎬ实现城镇化建设中地理数据的增量采集与入库ꎬ数据库环境内的数据匹配㊁融合和一致性更新就愈发凸显其重要地位ꎮ核心问题在于如何体现地理信息数据的现势性ꎬ而在生产生活应用中以增量技术实现地图的快速更新为突破口ꎬ这对于相关领域的实际运用具有深远意义ꎮ
１㊀增量地图更新原理
随着当今城镇化的快速推进ꎬ我们可以发现其本质上都是土地的类型和用途发生了变化ꎬ所以在研究地理要素的现实变化时可以将其转为对土地和居民地要素变化对比的研究ꎮ这样一来ꎬ对应的复杂空间实体变化的地理信息分析处理就可以理解为对土地利用类型和居民地要素的整合分析ꎮ而以居民地要素为例ꎬ结合增量更新技术可以对空间变化类型进行细致分类并对应入库ꎬ实现新旧数据的快速匹配和融合ꎬ从而可以建立起空间变化类型㊁动态更新相关操作和图形几何要素差之间的关联关系ꎮ这种基于增量信息建立起的空间关联具有明晰的层次构造ꎬ可以直观地反映出各地理要素变化的相互影响作用ꎮ
１.１㊀空间变化的分类
可以将地物实体的空间变化分成简单空间变化和复杂空间变化两类[８]ꎮ其中ꎬ简单空间变化包含扩张(①由点状的地理要素(实体)扩张为面状的地理要素(实体)ꎻ②在原来的面状地理要素(实体)基础上面积扩大)和偏移(取决于变化前后新旧地理要素(实体)是否有重叠部分)两种ꎻ复杂空间变化包含分割(原来
一个地理要素(实体)分为两个或多个地理要素(实体))和合并(两个或多个地理要素(实体)合为一个地理要素(实体))ꎮ
１.２㊀动态更新相关操作
增量信息的表达内容和具体的表现形式就是动态更新的相关操作ꎬ可以基本归纳为３种核心操作：新建(新出现的地理要素(实体))㊁删除(消失了的地理要素(实体))和修改(发生偏移或扩张的地理要素(实体))ꎮ可以清晰明了地发现动态更新的相关操作基于增量信息的变化分类ꎬ并存在着ｎʒ１或１ʒ１的对应关系ꎮ
１.３㊀图形几何要素差
将地理要素(实体)因为相关几何信息发生变化而引起的要素间差异认为是图形几何要素差[９]ꎮ包含整体差值(地理实体新增㊁存在或消失的对比差值)㊁维度差值(地理实体在点状和面状之间变化的对比差值)和部分差
值(新旧地理实体发生部分重叠的对比差值)ꎮ可知图形几何要素差＝α整体差值＋β维度差值＋γ部分差值(α㊁β㊁γ取值为＋１㊁－１和０)ꎮ
２㊀构建增量更新模型
对增量信息的空间关联和逻辑层次表达的内容剖析㊁认知和归纳总结以后可知ꎬ完整的增量更新模型要同时包含空间变化分类㊁动态更新相关操作和图形几何要素差３部分ꎮ三者存在着派生关系ꎬ相互依附并相互影响ꎮ本文在建立居民地的增量更新模型之时ꎬ将地理要素主要表现视为各类地块㊁道路的变化ꎬ于是将地理空间按照道路进行划分ꎬ使土地在空间上成组㊁成片ꎮ本文将具有区块性质的区域定义为组块ꎬ表示为一个地理要素集合ꎬ是一个包含地块上的组块成员式的集合[１０]ꎮＧｒｏｕｐ＝[ɣｎ
ｉ＝０
Ｍｅｍｂｅｒ]
Ｍｅｍｂｅｒ＝ＩＤꎬＧｒａｐｈｉｃꎬ[ɣｎ
ｉ＝０
Ａｔｔｒｉｂｕｔｅ]
{}(１)式中ꎬＧｒｏｕｐ的含义为 组块 ꎬ含义为内部的成员ꎬＭｅｍｂｅｒ代表通道㊁房屋等要素ꎻＩＤ是用于标识要素的标识ꎻＡｔｔｒｉｂｕｔｅ与Ｇｒａｐｈｉｃ为数据要素的属性㊁图形ꎬ这种增量数据通常是以面为基础特征ꎬ即图形表达为面状要素ꎮ表１描述的是对组块式增量数据的更新操作：将增量信息文件进行位置㊁语义㊁属性方面的定性分析ꎬ然后将增量组块嵌入到图中ꎮ具体的更新操作可以
通过对原图要素以及更新要素两者对比分析来进行判断ꎮ原图要素与更新要素为拓扑关系ꎬ对原图的变化类型则体现出语义的概念ꎬ例如：操场绿地可作为能够被分割的面要素ꎬ然而房屋则不属于这类ꎬ具体的操作还要参考具体语义ꎮ
表１㊀组块式增量更新空间操作
Ｔａｂ.１㊀Ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌｕｐｄａｔｅｓｐａｃｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｂｙ
ｇｒｏｕｐｂｌｏｃｋ
底层要素拓扑关系语义关联操作
线状要素
位于Ｇｒｏｕｐ内
穿过Ｇｒｏｕｐ
没入Ｇｒｏｕｐ
与Ｇｒｏｕｐ相离
与Ｇｒｏｕｐ边界相合
无
排斥
契合
删除
截断
截断
保留
删除
截断
面状要素
位于Ｇｒｏｕｐ内
与Ｇｒｏｕｐ相离
与Ｇｒｏｕｐ相交
无
排斥
契合
删除
保留
删除
分割
６８１㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀测绘与空间地理信息㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０１８年
３㊀地图增量更新总体策略
对地图数据进行增量更新的流程为：首先要让计算机读入增量文件ꎬ然后对增量信息进行提取和特征概括ꎬ得到相关更新数据的信息集合ꎬ再调用辅助算法ꎬ最后将数据库中的数据进行特定处理ꎬ实现数据的入库匹配㊁融合和一致性更新ꎮ因为增量信息文件中通常包含不止一处变化ꎬ所以ꎬ我们的更新一般采用两种办法:
１)对增量信息文件中的变化要素按照 条 来单独读入ꎬ即计算机读入增量数据文件ң触发更新ң完成数据更新ң进行接下来的增量数据的读取[１１]ꎮ在所有的增量数据被计算机读入之后ꎬ数据库也相应地完成了所有数据的更新工作ꎮ
２)将全部增量数据整体读入到计算机中ꎬ在确保数据的精确性与有效性的同时ꎬ保证数据能够正常地进入数据库ꎬ再完成对数据的即时更新操作ꎮ这种方式相较第一种方式来说ꎬ更有利于保持数据文件信息的完整性ꎬ避免或减少在对数据文件进行更新操作中出现错误ꎮ在程序的设计和编码上ꎬ第一种方式往往实现起来更简单ꎬ在计算机得到需要进行更新操作的增量信息之后ꎬ使用ＡｒｃＥｎｇｉｎｅ里面ＩＦｅａｔｕｒｅＣｌａｓｓ接口的相关函数即可ꎮ但这种方式也有一个明显的缺点：如果在更新的过程中ꎬ遇到外界干扰㊁数据丢失等会导致更新操作出现中断的情况ꎬ很有可能导致数据失去完整性ꎬ增大出错的可能ꎮ所以ꎬ通过比较我们倾向于第二种方式ꎬ即一次性读取增量数据整体ꎬ再进行分析的
方式来进行数据更新ꎮ而要将全部的增量数据读入计算机中ꎬ可以结合Ｃ＃的继承特性ꎬ利用ＡｒｃＥｎｇｉｎｅ中ＩＴｏｐｏｌｏｇｉｃａｌＯｐｅｒａｔｏｒ接口的相关函数来完成数据的更新ꎮ
ＩＴｏｐｏｌｏｇｉｃａｌＯｐｅｒａｔｏｒ接口[１２]：使用该接口能够将当前存在的几何要素进行拓扑运算ꎮＩＴｏｐｏｌｏｇｉｃａｌＯｐｅｒａｔｏｒ接口在ＧＩＳ的二次开发中使用的次数比较高ꎬ在地理信息系统等的开发中ꎬ有关几何图形的编辑操作㊁裁剪操作ꎬ缓冲区分析等往往都要用到这个接口ꎮ
４㊀系统实现
地理信息数据增量更新的系统测试检验用到的数据包括含有点㊁线㊁面和多边形类型的各个图层ꎮ试验中增量数据为.ｌｙｒ格式ꎮ为了评估系统性能ꎬ检测各功能是否正常以及调试可能出现的错误等ꎬ我们对增量更新系统做了相关运行测试ꎮ
数据库平台:Ａｃｃｅｓｓ数据库＋ＡｒｃＳＤＥ１０.０ꎻ
编程语言:Ｃ＃ꎻ开发工具:ＶＳ２０１０＋ＡｒｃＥｎｇｉｎｅ１０.０二次开发工具包ꎮ
实验数据：分别包含点㊁线㊁面要素的图层文件(.ｌｙｒ)ꎮ
系统的主要功能：读取增量数据ꎬ对增量数据进行信息提取和特征概括ꎬ对增量数据进行具体的更新操作(如图１至图３所示
)ꎮ
图１㊀原始地图
Ｆｉｇ.１㊀Ｏｒｉｇｉｎａｌ
ｍａｐ
图２㊀组块增量信息
Ｆｉｇ.２㊀Ｉｎｃｒｅｍｅｎｔｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｇｒｏｕｐ
ｂｌｏｃｋ
图３㊀更新后成果
Ｆｉｇ.３㊀Ｕｐｄａｔｅｄｒｅｓｕｌｔｓ
５㊀结束语
通过对测试地图进行基于增量信息技术的更新工作ꎬ验证了所设计的增量更新系统的功能ꎮ增量信息更新的重点在于对变化的数据进行信息提取和特征概括ꎬ并完整入库ꎬ实现与数据库环境的适配以及新旧数据的融合和更新ꎮ因此ꎬ在本系统的设计过程中ꎬ着重对地理信息的数据组织结构进行归纳分析ꎬ将采集到的信息集合作为地图的数据增量记录储存下来ꎬ实时匹配调用ꎮ这样的更新方式ꎬ在保证数据快速更新的基础上也保证了数据的完整性ꎮ本系统的核心功能包括读取并存储增量信息㊁数据的增量更新㊁鹰眼㊁地图基本操作等ꎬ为局部小范围矢量地图的增量更新和相关数据的查询操作提供了一种高效便捷的方式和参考ꎮ
(下转第１８９页)
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第１１期金鑫一等：基于增量信息技术的地图数据快速更新
２)专题现势资料的使用
为使成果能够具有较好的现势性ꎬ需要多种专题现势资料综合应用ꎬ这些搜集来的专题资料ꎬ通常只具有相互关系的表示意义ꎬ没有精度意义ꎬ在使用中ꎬ不对其做精度要求ꎬ而是在基础数据上ꎬ通过比对研究ꎬ对资料上的要素进行综合取舍ꎬ如某道路交叉口处ꎬ特殊拐点处或有重要意义等的要素ꎬ要对其进行补充采集ꎮ
３)影像资料融合
基础数据资料可能由于现势性不足或范围不够等状况ꎬ需要使用最新影像资料进行更新和补充ꎮ将具有位置信息的影像根据挂图分幅需求在ＧｌｏｂａｌＭａｐｐｅｒ中进行分幅裁剪ꎮ影像的位置及地理参数信息存在于ｔｉｆ格式影像的头文件中ꎬ可以在ＧｌｏｂａｌＭａｐｐｅｒ中进行查询ꎬ但是挂图编辑系统环境无法使用ｔｉｆ图像ꎬ需要将图像转换为２４位ｂｍｐ格式ꎬ这样就需要将影像的位置及参数信息单独转换ꎬ形成ｔｆｗ文件ꎬ使用挂图编辑系统提供的ＬＢ￣ＧｏｏｇｌｅＰｒｏｃｅｓｓ工具ꎬ进行图像变换ꎬ将转换后的２４位ｂｍｐ格式影像作为原图像ꎬ设置变换后图像路径和名称ꎬ选好对应的ｔｆｗ文件ꎬ并设置当前挂图需要的数学基础ꎬ包括投影参数㊁椭球参数等ꎮ图像变换完成后ꎬ生成ｂｍｐ文件和ｌｓｍ文件ꎬ可在挂图编辑系统中装载图像ꎬ直接作为底图使用ꎮ
４)文字资料融合
对于文字资料ꎬ根据描述或提供的位置信息ꎬ将其转换为当前数学基础的ｄｇｎ形式的文件ꎬ符号位置体现位置信息ꎬ数据库存储要素属性ꎬ但是在使用中ꎬ由于非本机建立的ｄｇｎ会出现工程系统无法识别挂接数据库的问题ꎬ解决方法是在当前计算机系统中重新建立ＯＤＢＣ数据源ꎮ添加ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＡｃｃｅｓｓＤｒｉｖｅｒꎬ输入要挂接的ｍｄｂ数据库名ꎬ选择路径ꎮ成功创建后就可在ｘｔ５０系统中正常挂接数据库ꎬ从而读取道路资料的属性信息ꎮ
５)无基本信息的图像资料融合
对部分不能确切知悉其图像信息的图像资料ꎬ根据可得到的经纬度信息及数学基础ꎬ给普通扫描图像加载上地理坐标信息并进行纠正ꎬ可用ＧｌｏｂａｌＭａｐｐｅｒ软件打开图像进行手工纠正ꎬ在打开的界面中设置投影参数ꎮ然后选择图像上的特征点ꎬ给特征点赋地理信息值ꎬ根据精度要求可使用４点或多点纠正ꎮ纠正后的图像具有了数学基础ꎬ可以用本文第三点提到的方法加载到系统中作为底图使用ꎮ对于影像资料的融合ꎬ由于受到系统限制ꎬ通常ｔｉｆ格式文件大小不能超过４ＧＢꎬ在使用中根据实际成图需要ꎬ综合运用截幅和降低分辨率的方法解决ꎮ
２㊀结束语
以上是在工作中总结的一些经验和方法ꎬ解决了边境挂图编制中的大部分数据融合问题ꎮ挂图编制中多源资料的融合使用在操作中需要具体问题具体分析ꎬ根据资料的现势性㊁资料精度㊁成图精度等因素综合考虑ꎬ灵活运用以上方法ꎮ在不同编辑系统中ꎬ也可以参考本文的思路ꎬ对问题拆分解决ꎬ以达到最好效果ꎮ
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[编辑：刘莉鑫]
(上接第１８７页)
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[编辑：任亚茹]
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长春分类信息
第１１期田㊀璐等：浅谈边境地区挂图编制的多源数据融合

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